颜色传感器TCS230及颜色识别电路

新器件新技术 颇色传感矗 TCS230及颜色识别电路 ■ 深圳光硕科技有限公司 胡 建 民 、 TCS230是美国TAOS公司生产的一种可编程彩色光到频率的传感器。该传感器具有分辨率高、可编程 摘 要 的颜色选择与输 出定标、单电源供 电等特点；输 出为数字量，可直接与微 处理器连接。文 中主要介 绍 TCS230的原理和应 用，以及 色光和 白平衡 的知识 ，并 用一个 实例说 明 TCS230识 别颜 色的过程 。 关键词 TCS230 颜 色传感器 颜色识别 白平衡调整 引 言 随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，生 产过程中长期以来由人眼起主导作用的颜色识别工作将 越来越多地被相应的颜色传感器所替代。例如：图书馆使 用颜色区分对文献进行分类 ，能够极大地提高排架管理和 统计等工作；在包装行业，产品包装利用不同的颜色或装 潢来示其不同的性质或用途。目前的颜色传感器通常 是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿 、篮滤光 片，然后对输出信号进行相应的处理，才能将颜色信号识 别出来；有的将两者集合起来，但是输出模拟信号，需要一 个A／D电路进行采样，对该信号进一步处理，才能进行识 别，增加了电路的复杂性 ，并且存在较大的识别误差，影响 了识别 的效 果。TA0S(Texas Advanced 0ptoel ectronic Solutions)公司最新推出的颜色传感器 TCS23O，不仅能够 实现颜色的识别与检测，与以前的颜色传感器相 比，还具 有许多优良的新特性。 1 TOS230芯片的结构框图与特点 TCS230是 TAOS公 司推出的可编程彩色光到频率 的转换器。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换 器集成在一个单一的 CMOS电路上，同时在单一芯片上 集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，是业界第一个有数字兼 容接 口的 RGB彩色传感器。TCS230的输出信号是数字 量，可以驱动的 TTL或 CMOS逻辑输入 ，因此可直 接与微处理器或其他逻辑电路相连接。由于输出的是数 字量，并且能够实现每个彩色信道 1O位以上的转换精度， 因而不再需要 A／D转换电路，使电路变得更简单。图 1 是 TCS23O的引脚和功能框图。 图 1中，TCS230采用 8引脚的 SOIC表面贴装式封 装 ，在单一芯片上集成有 64个光电二极管。这些二极管 共分为四种类型。其 中 16个光电二极管带有红色滤波 器}16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二极管带 有蓝色滤波器}其余 16个不带有任何滤波器，可以透过全 部的光信息。这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能 够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色 识别的精确度}另一方面，相同颜色的 16个光电二极管是 并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的 位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所 需要的滤波器。该传感器的典型输出频率范围从2 Hz～ 500 kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择 100 、 2O 或 2 的输出比例因子，或 电源关断模式。输出比例 因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它 的适应能力。例如，当使用低速的频率计数器时，就可以 选择小的定标值，使 TCS230的输 出频率和计数器相 匹配 。 从图 1可知：当入射光投射到 TCS230上时，通过光 电二极管控制引脚 S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤 波器 ；经过 电流到频率转换器后输出不同频率的方波(占 空比是 5O )，不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还 可以通过输出定标控制引脚 So、S1，选择不同的输出比例 因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。 TCS230 圈 1 TCS230的引脚和功能框图 4O 羊‘}机0矗入 枣1毛启阳 adv@mesnet ．COrn．cn(广告专用) 维普资讯 http://www.cqvip.com 下面简要介绍 TCS23O芯片各个引脚的功能及它的 一 些组合选项。 SO、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、 S3用于选择滤波器的类型；OE是频率输出使能引脚，可 以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输 入引脚时，也可以作为片选信号；OUT是频率输出引脚， GND是芯片的接地引脚 ，VCC为芯片提供工作电压。表 1 是 So、s1及 S2、S3的可用组合。 衰 1 SO、S1及 S2、S3的组合选项 输出频率 so s1 S2 S3 滤波器类型 定标 L L 关断电源 L L 红色 L H 2O L H 蓝色 H L 2O H L 无 H H 100 H H 绿色 2 TCS230识别颜色的原理 由上面的介绍可知，这种可编程的彩色光到频率转换 器适合于色度计测量应用领域，如彩色打印、医疗诊断、计 算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材 料的过程控制和色彩配合。下面以 TCS230在液体颜色 识别中的应用为例，介绍它的具体使用。首先了解一些光 与颜色的知识。 (1】三原色的感应原 理 通常所看到的物体颜色，实际上是物体表面吸收了照 射到它上面的白光(日光)中的一部分有色成分，而反射出 的另一部分有色光在人眼中的反应。白色是由各种频率 的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种 颜色的色光(如红 R、黄 Y、绿 G、青 V、蓝 B、紫 P)。根据 德国物理学家赫姆霍兹(Helinhohz)的三原色理论可知， 各种颜色是由不同比例的三原色(红、绿、蓝)混合而成的。 (2)TCS230识别颜色的原理 由三原色感应原理可知，如果知道构成各种颜色的三 原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。对于 TCS230 来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原 色通过，阻止其他原色的通过。例如：当选择红色滤波器 时，入射光中只有红色可以通过 ，蓝色和绿色都被阻止 ，这 样就可以得到红色光的光强；同理，选择其他的滤波器 ，就 可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个值，就可以 分析投射到TCS230传感器上的光的颜色。 (3)白平衡和颜色识别原理 白平衡就是告诉系统什么是白色。从理论上讲，白色 是由等量的红色、绿色和蓝色混合而成的}但实际上，白色 中的三原色并不完全相等，并且对于 TCS230的光传感器 来说，它对这三种 基本色 的敏感性是 不相 同的，导致 TCS23O的RGB输出并不相等，因此在测试前必须进行 白 平衡调整，使得 僦 3O对所检测的“白色”中的三原色是 相等的。进行白平衡调整是为后续的颜色识别作准备。在 本装置中，白平衡调整的具体步骤和方法如下：将空的试管 放置在传感器的上方，试管的上方放置一个白色的光源，使 入射光能够穿过试管照射到 TCS230上；根据前面所介绍 的方法，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，分别测得红色、 绿色和蓝色的值，然后就可计算出需要的3个调整参数。 当用 TCS230识别颜色时，就用这 3个参数对所测颜 色的 R、G和 B进行调整。这里有两种方法来计算调整参 数：① 依次选通三种颜色的滤波器，然后对 TCS230的输 出脉冲依次进行计数。当计数到 255时停止计数，分别计 算每个通道所用的时间。这些时 间对应 于实际测试时 TCS230每种滤波器所采用的时间基准，在这段时间内所 测得的脉冲数就是所对应 的 R、G和 B的值。② 设置定 时器为一固定时间(例如 10 ms)，然后选通三种颜色的滤 波器，计算这段时间内 TCS230的输出脉冲数，计算出一 个比例因子，通过这个 比例因子可以把这些脉冲数变为 255。在实际测试时，使用同样的时间进行计数，把测得的 脉冲数再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所对应的 R、G和 B的值。 3 TCS230的应用——颜色识别电路 基于上述分析 ，采用 89C51和 TCS230一个医用 液体颜色识别装置。该装置具有结构简单、识别精度和效 率高的特点，并且能够和上位机通信，以将识别的结果实 时传送给上位机。由于是说明TCS230的使用情况，下面 仅给出其中的TCS230识别电路，如图2所示。图2中用 图2 TOS230颜色识别接口电路 VCC 38 37 36 35 34 28 27 26 25 24 23 22 2l paper@mesnet．corn．cn(投稿专用) Mi 。 tr。Ilers＆Embedded Sy t m 4 1 眦咖眦眦附附晰晰M一一一 啪一 、 一 P 一 E —C L叫 )一8 Ol 2 3 4 5 6 7 O l 2 3 4 } 一 mⅢmmⅢ m暮亘啪 眦嘲 阱蹦阱慰Ⅺ 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 本文共3页，欲获取全文，请点击链接http://www.cqvip.com/QK/83588X/200604/21469104.html，并在打开的页面中点击文章 题目下面的“下载全文”按钮下载全文，您也可以登录维普官网（http://www.cqvip.com）搜索更多相关论文。